MODBUS RTU协议原理及功能码解析
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了MODBUS RTU协议原理及功能码解析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
第一部分 MODBUS RTU协议原理
1.1 简介
modbus是OSI模型第七层上的应用层报文传输协议。
modbus是一个请求/应答协议。并规定了相关的功能码。
modbus功能码是modbus请求应答PDU的元素。（PDU：协议数据单元）
modbus通信栈：
·
modbus网络体系结构示例 ：
MODBUS 协议允许在各种网络体系结构内进行简单通信。
每种设备（PLC、HMI、控制面板、驱动程序、动作控制、输入/输出设备）都能使用MODBUS协议来启动远程操作。
在基于串行链路和以太TCP/IP 网络的MODBUS上可以进行相同通信。
modbus帧：
主/从站通信时序图：
1.2 RTU传输模式
有两种串行传输模式被定义: RTU 模式和 ASCII 模式。
所有设备必须必须实现RTU 模式。
当设备使用RTU (Remote Terminal Unit) 模式在Modbus 串行链路通信， 报文中每个8位字节含
有两个4 位十六进制字符。这种模式的主要优点是较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCII 模
式有更高的吞吐率。每个报文必须以连续的字符流传送。
RTU 模式每个字节( 11 位 ) 的格式为 :
编码系统: 8–位二进制
报文中每个8 位字节含有两个4 位十六进制字符(0–9， A–F)
Bits per Byte: 1 起始位
8 数据位， 首先发送最低有效位
1 位作为奇偶校验
1 停止位
默认校验位模式必须位偶校验
RTU模式位序列：
RTU模式位序列(无校验的特殊情况)：
RTU帧描述：
CRC（循环冗余校验）
modbus ＲＴＵ帧最大２５６个字节。
1.3 MODBUS报文帧
由发送设备将Modbus 报文构造为带有已知起始和结束标记的帧。这使设备可以在报文的开始接收新帧，并且知道何时报文结束。不完整的报文必须能够被检测到而错误标志必须作为结果被设置。在 RTU 模式，报文帧由时长至少为3.5 个字符时间的空闲间隔区分。在后续的部分，这个时间区间被称作t3.5。
整个报文帧必须以连续的字符流发送。
如果两个字符之间的空闲间隔大于1.5 个字符时间，则报文帧被认为不完整应该被接收节点丢弃。
RTU传输状态图：
上面状态图的一些解释:
§ 从 "初始" 态到 “空闲” 态转换需要t3.5 定时超时: 这保证帧间延迟
§ “空闲” 态是没有发送和接收报文要处理的正常状态。
§ 在RTU 模式， 当没有活动的传输的时间间隔达3.5 个字符长时，通信链路被认为在“空闲”
态。
§ 当链路空闲时， 在链路上检测到的任何传输的字符被识别为帧起始。链路变为 "活动" 状态。
然后， 当链路上没有字符传输的时间间个达到t3.5 后，被识别为帧结束。
§ 检测到帧结束后，完成CRC 计算和检验。然后，分析地址域以确定帧是否发往此设备，如果不
是，则丢弃此帧。为了减少接收处理时间，地址域可以在一接到就分析，而不需要等到整个帧
结束。这样，CRC 计算只需要在帧寻址到该节点(包括广播帧) 时进行。
1.4 CRC校验
在RTU 模式包含一个对全部报文内容执行的，基于循环冗余校验 (CRC - Cyclical RedundancyChecking) 算法的错误检验域。CRC 域检验整个报文的内容。不管报文有无奇偶校验，均执行此检验。
CRC 包含由两个8 位字节组成的一个16 位值。
CRC 域作为报文的最后的域附加在报文之后。计算后，首先附加低字节，然后是高字节。CRC高字节为报文发送的最后一个子节。
附加在报文后面的CRC 的值由发送设备计算。接收设备在接收报文时重新计算CRC 的值，
并将计算结果于实际接收到的CRC 值相比较。如果两个值不相等，则为错误。
CRC 的计算, 开始对一个16 位寄存器预装全1。然后将报文中的连续的8 位子节对其进行后
续的计算。只有字符中的8个数据位参与生成CRC 的运算，起始位，停止位和校验位不参与CRC
计算。
CRC 的生成过程中， 每个 8–位字符与寄存器中的值异或。然后结果向最低有效位(LSB)方向
移动(Shift) 1位，而最高有效位(MSB)位置充零。然后提取并检查LSB：如果LSB 为1， 则寄存
器中的值与一个固定的预置值异或；如果LSB 为 0， 则不进行异或操作。
这个过程将重复直到执行完8 次移位。完成最后一次（第8 次）移位及相关操作后，下一个8
位字节与寄存器的当前值异或，然后又同上面描述过的一样重复8 次。当所有报文中子节都运算之
后得到的寄存器忠的最终值，就是CRC。
第二部分 MODBUS RTU模式下功能码解析
2.1 Modbus-RTU协议简介
帧结构 = 地址(设备ID) + 功能码 + 数据 + 校验
地址：占1个字节，范围0~255,有效范围1~247，其他特殊用途 如255为广播地址。
功能码：占1个字节。功能码是modbus协议定的。是modbus编程两个重要的概念之一（另一个是字符间隔1.5T—判断帧是否完整，字符间隔大于3.5T视为帧结束。），不同的功能码，后面数据格式也不同，从机返回的帧格式也不同。
数据：见后面示例。
校验：CRC校验值。
备注：读线圈返回数据时，1个字节表示8个线圈状态。
比如线圈地址0001-0008这一部分的状态ON-ON-ON-OFF-ON-ON-OFF-OFF,等价11101100。二进制表示为00110111，16进制为0x37.
2.2 部分功能码名词解释
Modbus常用功能码：
| 代码 | 名称 | 寄存器PLC地址 | 位/字操作 | 操作数量 |
| 01 | 读线圈状态 | 00001~09999 | 位操作 | 单个或多个 |
| 02 | 读离散输入状态 | 10001~19999 | 位操作 | 单个或多个 |
| 03 | 读保持寄存器 | 40001~49999 | 字操作 | 单个或多个 |
| 04 | 读输入寄存器 | 30001~39999 | 字操作 | 单个或多个 |
| 05 | 写单个线圈 | 00001~09999 | 位操作 | 单个 |
| 06 | 写单个保持寄存器 | 40001~49999 | 字操作 | 单个 |
| 15 | 写多个线圈 | 00001~09999 | 位操作 | 多个 |
| 16 | 写多个保持寄存器 | 40001~49999 | 字操作 | 多个 |
线圈寄存器：实际上就可以类比为开关量（继电器状态），每一个bit对应一个信号的开关状态。所以一个byte就可以同时控制8路的信号。比如控制外部8路io的高低。 线圈寄存器支持读也支持写，写在功能码里面又分为写单个线圈寄存器和写多个线圈寄存器。对应上面的功能码也就是：0x01 0x05 0x0f
离散输入寄存器：如果线圈寄存器理解了这个自然也明白了。离散输入寄存器就相当于线圈寄存器的只读模式，他也是每个bit表示一个开关量，而他的开关量只能读取输入的开关信号，是不能够写的。比如我读取外部按键的按下还是松开。所以功能码也简单就一个读的 0x02
保持寄存器：这个寄存器的单位不再是bit而是两个byte，也就是可以存放具体的数据量的，并且是可读写的。一般对应参数设置，比如我我设置时间年月日，不但可以写也可以读出来现在的时间。写也分为单个写和多个写，所以功能码有对应的三个：0x03 0x06 0x10
输入寄存器：这个和保持寄存器类似，但是也是只支持读而不能写，一般是读取各种实时数据。一个寄存器也是占据两个byte的空间。类比我我通过读取输入寄存器获取现在的AD采集值。对应的功能码也就一个 0x04。
(名词解释来源：https://blog.csdn.net/lingshi75/article/details/105991450/)
2.3 部分功能码解析
01功能码 –读线圈状态
主机发送：01 01 00 01 00 08 6C 0C
从机回复: 01 01 01 2F 10 54
主机解析：01 地址(设备ID)；
01 功能码；
00 01 代表查询的起始线圈地址，即从0001线圈开始查询。
00 08 查询线圈数量。
6C 0C 循环冗余校验。
从机解析：01 地址(设备ID)；
01 功能码；
01 代表后面数据的字节数。
2F 读取以0001线圈开始的8个线圈的状态。0x2F二进制为00101111，对应状态为1111 0100
10 54 循环冗余校验。
02功能码 –-读离散输入寄存器
功能：读离散输入寄存器，位操作，可读单个或多个，类似功能码0X01
03功能码 –-读保持寄存器的值
主机发送：01 03 00 01 00 01 D5 CA
从机回复: 01 03 02 00 01 79 84
主机解析：01 地址(设备ID)；
03 功能码；
00 01 代表查询的起始寄存器地址，即从0001寄存器开始查询。
00 01 查询寄存器数量。
D5 CA 循环冗余校验。
从机解析：01 地址(设备ID)；
03 功能码；
02 代表后面数据的字节数。
00 01 查询0001寄存器的值。
79 84 循环冗余校验。
04 功能码 –-读输入寄存器
功能：读输入寄存器，字节操作，可读单个或多个，类似功能码0X03
05 功能码 –-写单个保持寄存器
功能：对单个线圈进行写操作，位操作，只能写一个。写入0xFF00表示将线圈置为ON，写入0x0000表示将线圈置为OFF，其它值无效；
主机发送数据：从站地址+功能码+寄存器起始地址+数据值+校验码
从站应答数据：从站地址+功能码+寄存器地址+写入值+校验码
06 功能码 –-写单个保持寄存器
主机发送：01 06 00 02 00 01 E9 CA
从机回复: 01 06 00 02 00 01 E9 CA
主机解析：01 地址(设备ID)；
06 功能码；
00 02 代表待写入的起始寄存器地址，即从0002寄存器开始写数据。
00 01 写入的寄存器的值。即给0002寄存器写入0001
E9 CA 循环冗余校验。
从机解析：01 地址(设备ID)；
06 功能码；
02 代表后面数据的字节数。
00 01 查询0001寄存器的值。
E9 CA 循环冗余校验。
15 功能码 –-写多个线圈状态
主机发送：01 0F 00 01 00 07 01 6B B2 B9
从机回复: 01 0F 00 01 00 07 45 C9
主机解析：01 地址(设备ID)；
0F 功能码；
00 01 代表待写入的起始线圈地址，即从0001线圈开始写数据。
00 07 待写入的线圈的数量。
01 后面写入数据的字节数。
6B写入寄存器的值，即11010110。二进制01101011
B2 B9 循环冗余校验。
从机解析：01 地址(设备ID)；
0F 功能码；
00 01 代表待写入的起始线圈地址，即从0001线圈开始写数据。
00 07 待写入的线圈的数量。
45 C9 循环冗余校验。
16功能码 -- 写多个保持寄存器
主机发送：01 10 00 04 00 03 06 00 01 00 00 00 01 5B 55
从机回复: 01 10 00 04 00 03 C1 C9
主机解析：01 地址(设备ID)；
10 功能码；
00 04 代表待写入的起始寄存器地址，即从0004寄存器开始写数据。
00 03 待写入的寄存器的数量。
06 后面写入数据的字节数。
0001,0000,0001写入寄存器的值。即给0004,0005,0006寄存器分别写入0001，0000,0001
5B 55 循环冗余校验。
从机解析：01 地址(设备ID)；
10 功能码；
00 04 代表待写入的起始寄存器地址，即从0004寄存器开始写数据。
00 03 待写入的的寄存器的值。即给0004,0005,0006寄存器分别写入0001，0000,0001
C1 C9 循环冗余校验。
modbus-poll和modbus-slave工具的学习使用——modbus协议功能码04的解析——04读输入寄存器
功能码4的功能是读输入寄存器，下面是modbus poll的communication中截取的一段发送、响应的数据，
Tx:020-01 04 00 00 00 01 31 CA
Rx:021-01 04 02 00 02 38 F1
分析如下：
poll端：
connection选项就不细讲了，rtu模式，8N1的通信方式。
setup选项，选择如下：
点击ok，就可以通信了。
slave端：
connection选项就不细讲了，rtu模式，8N1的通信方式。
setup选项，选择如下：
点击ok，就可以通信了。
两段都设定好了，就可以正常通信了。这里我使用了虚拟串口的，如果是实际情况，需要根据实际情况来选择串口号码。
通信情况如下：
通信码分析：
Tx:020-01（从机地址） 04（功能码4） 00（寄存器起始地址高位） 00（寄存器起始地址高位） 00（寄存器个数高位） 01 （寄存器个数高位）31（CRC 低位） CA （CRC 高位）
说明是从寄存器1开始，读取1个寄存器的数值
Rx:021-01（从机地址） 04（功能码4） 02（字节数） 00（数据高位(地址 30000)） 02（数据低位(地址 30000)） 38（CRC 低位） F1 （CRC 高位）
可以见得，RX回复的数据是16bit的数据，两个字节。
以上是关于MODBUS RTU协议原理及功能码解析的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
「 Modbus-RTU报文解析」解析030610功能码报文示例
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